周敬

摘 要：質子交換膜燃料電池具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。但在運行中，氮氣和水會透過質子交換膜擴散到陽極，若長時間不排出后會導致電堆性能下降，若頻繁排出則會降低氫氣利用率。本文針對在燃料電池應用中的尾排控制策略進行了歸納和綜述。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池 陽極 尾排

1 研究背景與意義

在汽車儲存能量的各種方式中，燃料的“碳減排”是可持續(xù)發(fā)展的關鍵，而氫燃料不含任何碳，是理想的燃料[1]。當前全球正齊力應對氣候變化，碳中和已成為一個全球性的潮流。質子交換膜燃料電池（PEMFC）由于其噪音低、高效、清潔環(huán)保等優(yōu)點，成為潛力巨大的能源裝置之一。燃料電池及其系統(tǒng)的壽命是商業(yè)化發(fā)展道路上一個重要的因素。在燃料電池系統(tǒng)運行過程中，處于高溫高壓狀態(tài)，氫氧反應生成的液態(tài)水大部分流出電堆，但在壓力、濃度等因素的作用下，陰極側的水和空氣中的氮氣會透過質子交換膜擴散到陽極，長時間運行，如果陽極的尾排系統(tǒng)不能及時排出，就會導致水在陽極累積，引起局部水淹，堵塞流道等問題，同時也會積累雜質氣體，降低氫氣分壓，影響反應效率，導致電堆性能下降。為了減少氮氣和水對電堆的影響，會對陽極進行尾排處理，但在排除氮氣和水的同時，也會同時將氫氣排出，降低了氫氣的利用率，因此合理地排出積累的陽極雜質、氮氣和水至關重要[2，3]。

2 燃料電池工作原理

氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能轉換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。氫氣在陽極催化劑的作用下分解成質子和電子。質子穿過電解質膜，與陰極氧反應生成水，而電子通過外電路形成電流。

氫氧化學反應式：

如圖1所示為燃料電池單池原理結構[4]。

因質子交換膜的特性及高溫高壓的環(huán)境，會不斷有氮氣和水滲透到陽極，質子交換膜燃料電池的水氣管理對其性能和耐久性均有重要的影響，為了保證燃料電池的性能，必須及時排出積累的氮氣和水分[5]。

3 燃料電池尾排策略

氮氣或水的滲透率不僅與膜電極的材料、工作溫度和壓力等有關，還會隨著電流密度增加而增加，因此尾排的控制策略可能受各種因素的影響[6]。

3.1 脈沖式尾排策略

燃料電池系統(tǒng)運行時，氫空反應產(chǎn)生的水以及剩余的雜質氣體在相同工況下較固定，可以依靠多次試驗和經(jīng)驗進行尾排的策略制定。脈沖式尾排策略的核心是現(xiàn)場標定，容易實現(xiàn)，在不同的條件下找到最優(yōu)的尾排方法，在整車應用上較多，主要方法是通過試驗標定的方法確定尾排的頻率，根據(jù)燃料電池產(chǎn)水量和滲透量以及電堆水出溫度等進行尾排頻率和尾排時長的標定。具體工作流程如下：

在燃料電池系統(tǒng)運行時，工況不同，電流也不同，隨著電流的升高，電池陰極側產(chǎn)生的水量增加，析出液態(tài)水的速度加快，電池內部“水淹”也加快，電池性能衰減速率增加，因此要對不同的工況即不同的電流密度進行標定。

在標定測試過程中，在相同的電流密度下固定尾排頻率，調整尾排閥的開啟時長，測試記錄在不同開啟時長情況下，尾排氫濃度的變化。尾排閥的開啟時長關系到氫氣利用率和雜質排出的效果，因此必須選擇一個平衡點，得到合適的尾排時間。同樣，在相同的電密下，固定尾排閥的開啟時長，調整尾排閥的開啟頻率，標定期間實時監(jiān)測尾排氫濃度和電堆單體電壓，找到在不會出現(xiàn)電堆單體故障的前提下氫氣利用率最大的排氫頻率。以此類推完成所有電密點下的尾排標定。標定期間也可以根據(jù)電堆出水口溫度對尾排頻率進行補償，防止在溫度較低時水氣液化，長期未排放導致電堆水淹。在保證系統(tǒng)正常運行的情況下，盡可能少地排出氫氣，保證電堆的安全性和氫氣的利用率[7，8]。

3.2 氫循環(huán)濕度控制策略

此方法的主要策略在于通過氫氣循環(huán)噴射泵可以引射電堆陽極出口未反應完的氫氣，與氫循環(huán)噴射泵的進口氫氣混合后進入燃料電池電堆陽極入口，完成氫氣回收，同時在陽極側增加濕度傳感器進行濕度檢測，分別進行排氣和排水的控制[9]。

在穩(wěn)態(tài)條件下，通過假設噴射泵入口會持續(xù)穩(wěn)定通入一個單位的純氫氣，以及某個時刻N△t前未反應的循環(huán)氫氣所占進堆氫氣的質量比例為an。可以推導得到在第N個時刻末，燃料電池電堆陽極未反應的氫氣質量。而后進行循環(huán)過程中雜質氣體含量的推導。設在N次循環(huán)中雜質氣體累計的含量為φ，循環(huán)過程中輸入的氫氣含量為Q，雜質提起的所占比例為α[9]，則

φ＝Qα

根據(jù)每次循環(huán)輸入系統(tǒng)的氫氣含量以及每次雜質氣體所占的比例，得到在N此循環(huán)后雜質氣體的累計含量。設N次循環(huán)后需要進行尾氣排放時雜質氣體的閾值為β，當φ≥β時，打開排氣閥進行排放。除了雜質氣體還需要考慮水汽的含量，當水的含量大到影響質子交換膜性能時需要進行排水。通過在陽極側增加濕度傳感器來采集的濕度數(shù)據(jù)，實時檢測到的濕度δ，需要進行排水的濕度閾值為θ，當δ≥θ時，則需要打開排水閥進行排水。這樣通過分別控制排氣和排水使系統(tǒng)持續(xù)運行在高性能情況下[9]。

3.3 電壓氮濃度檢測控制

此尾排控制器策略主要利用電壓巡檢儀和氮氣濃度傳感器得到燃料電池電堆電壓和氮氣濃度值來控制尾排的開啟和關閉[10]。

燃料電池電堆運行期間，在陽極不斷積累雜質氣體和水汽，若不及時排出，會導致電堆電壓出現(xiàn)單低或雜質氣體堆積，雜質氣體多是氮氣。整體策略為實時監(jiān)測燃料電池電堆的電壓和陽極電堆出口處的氮氣濃度，當燃料電池系統(tǒng)在關閉尾排期間的電壓壓降值大于預設的壓降閾值時，打開尾排開始排放，當電堆陽極出口處的氮氣濃度小于預設的氮氣濃度閾值時，關閉尾排，從而控制電堆的尾排開啟間隔和開啟時長，流程圖如下[10]。

為了更加精確地控制，更全面地反映電堆工作狀態(tài)，對電壓壓降的判斷，可以通過燃料電池電堆的平均電壓和最低電壓進行綜合判斷。平均電壓壓降或最低電壓壓降小于對應預設的壓降閾值時，均可控制電堆出口進行排氫。同時，根據(jù)在不同的輸出功率下，電堆工作狀態(tài)不同，可通過試驗標定不同的壓降閾值或氮氣濃度閾值。對尾排開啟間隔和開啟時長的精確控制，在保證燃料電池電堆電壓穩(wěn)定性的基礎上防止氫氣浪費[10]。

3.4 氫循環(huán)尾排聯(lián)合控制

燃料電池系統(tǒng)進行尾排控制主要為了排出水和氮氣，防止在陽極累積影響電堆性能，同時提高氫氣利用率。此策略主要將排水閥、排氫閥和循環(huán)泵進行聯(lián)動控制，通過改變循環(huán)泵轉速、排水閥頻率和排氫閥頻率實現(xiàn)高效的尾排控制?？紤]到系統(tǒng)的耐久性，防止出現(xiàn)水淹，優(yōu)先考慮排水，而后再考慮排氫。循環(huán)泵在運轉時，使氫氣循環(huán)回電堆入口，停轉時，氮氣質量較大，受重力作用在出口管路中蓄積，打開排氫閥，可更多地排出氮氣，減少氫氣排出。在使用循環(huán)泵進行循環(huán)控制的同時，通過算法估算和試驗標定的方式得到排水排氮的周期和開啟時間[11]。

燃料電池為氫氧反應產(chǎn)生水，同時考慮到溫度對水狀態(tài)的影響，根據(jù)電堆輸出電流和溫度估算液態(tài)水量，計算排水閥開啟時間，標定排水的周期，實現(xiàn)排水控制。而滲透到陽極測的氮氣量與所電堆反應消耗的空氣量以及壓力有關，根據(jù)電流和氫氣壓力估算陰極擴散到陽極的氮氣量，計算排氫氫的開啟時間，標定排氫周期，實現(xiàn)排氫控制[11]。

估算算法能夠適用于系統(tǒng)常規(guī)穩(wěn)定運行的場景，針對實際運行時可能出現(xiàn)異常情況，還需要根據(jù)電堆當前的狀態(tài)進行特殊處理。當陽極積水后燃料電池會出現(xiàn)單體電壓較低的情況，因此可以通過監(jiān)測燃料電池堆陽極出口附近m片單體電壓平均值Vmp和總單體電壓平均值Vp，當Vp-Vmp>設定閾值V0，認為出現(xiàn)單低情況，排水異常。V0可根據(jù)燃料電池電堆的出廠技術參數(shù)確定，保證單體電壓壓降不超過某個值，且單體一致性較好。當Vp

此方法在常規(guī)的排氫排水控制基礎上，增加了策略的優(yōu)先級選擇，同時配合循環(huán)泵，利用氮氣質量更大的特點提高了氫氣的利用率。

4 結語

質子交換膜燃料電池的性能和耐久性提升是在整車應用中的重要一環(huán)，而陽極尾排的控制直接影響到了系統(tǒng)的性能和壽命，同時也決定了氫氣利用率的高低。本文分別對脈沖式尾排控制、氫循環(huán)濕度控制、電壓氮濃度檢測控制及氫循環(huán)尾排聯(lián)合控制四種燃料電池的尾排控制策略進行綜述，為燃料電池的尾排控制提供了理論指導。

本文受國家重點研發(fā)計劃資助

（2020YFB1506302）。

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